Η υπερφασματική απεικόνιση είναι μια τεχνολογία αιχμής που χρησιμοποιείται ευρέως σε εφαρμογές τηλεπισκόπησης. Οι αεροδιαστημικές πλατφόρμες, όπως επανδρωμένα και μη αεροσκάφη, δορυφόροι τηλεπισκόπησης και οχήματα εξερεύνησης του διαστήματος, είναι εξοπλισμένες με υπερφασματικούς δέκτες που καταγράφουν ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, επιτρέποντας τη δημιουργία χωρικών εικόνων υψηλής ανάλυσης σε συνδυασμό με φασματική πληροφορία υψηλής ακρίβειας.
Η εκρηκτική αύξηση του όγκου δεδομένων των υπερφασματικών εικόνων όμως και του ρυθμού παραγωγής δεδομένων από τα όργανα, έρχονται σε αντιπαράθεση με τους περιορισμένους διαθέσιμους πόρους αποθήκευσης και το μικρό εύρος ζώνης της κατερχόμενης ζεύξης, καθιστώντας τη συμπίεση υπερφασματικών και πολυφασματικών δεδομένων εικόνας επάνω στις πλατφόρμες ένα κρίσιμης σημασίας για την αποστολή εγχείρημα. Η απωλεστική συμπίεση επιτρέπει την επίτευξη σημαντικού λόγου συμπίεσης με κόστος όμως την εμφάνιση παραμόρφωσης μεταξύ της ανακατασκευασμένης και της αρχικής εικόνας. Η υιοθέτηση αποτελεσματικών στρατηγικών κατανομής ρυθμού είναι ζωτικής σημασίας για τη βελτιστοποίηση της συνολικής απόδοσης ρυθμού-παραμόρφωσης, με στόχο τη βελτίωση της ποιότητας της εικόνας εντός ενός διατιθέμενου ρυθμού δεδομένων.
Το πρότυπο CCSDS-122.1-Β-1, που εκδόθηκε πρόσφατα από τον CCSDS, επεκτείνει το προηγούμενο πρότυπο CCSDS 122.0-Β-2 που αναφέρεται στη συμπίεση δισδιάστατων (2D) μονοχρωματικών εικόνων παρέχοντας μια αποτελεσματική μέθοδο κωδικοποίησης πολυφασματικών και υπερφασματικών δεδομένων εικόνας, με την χρήση φασματικών μετασχηματισμών που επιτρέπουν την εκμετάλλευση των ομοιοτήτων μεταξύ των διαφόρων φασματικών περιοχών, δημιουργώντας μια μετασχηματισμένη εικόνα που συμπιέζεται αποτελεσματικότερα με χρήση των 2D κωδικοποιητών. Ένα πολύ βασικό στοιχείο του CCSDS 122.1-Β-1 είναι η κατανομή ρυθμού δεδομένων.
Η παρούσα πτυχιακή εργασία διερευνά τη μέθοδο κατανομής ρυθμού με τον αλγόριθμο Reverse Waterfilling που συνιστάται από το πρότυπο CCSDS 122.1 για συμπίεση υπερφασματικών και πολυφασματικών εικόνων με απωλεστικούς αλγορίθμους. Ο ερευνητικός στόχος αυτής της πτυχιακής εργασίας είναι η ανάπτυξη μιας επιταχυνόμενης με υλικό υλοποίησης του αλγορίθμου Reverse Waterfilling υπό την μορφή ενός πυρήνα IP στοχεύοντας την τεχνολογία FPGA SoC και εστιάζοντας στην επίτευξη βέλτιστης ποσότητας παραμόρφωσης-ρυθμού και στην επίτευξη υψηλής διεκπαιρεωτικής ικανότητας.
Μια ολοκληρωμένη περιγραφή του αλγορίθμου Reverse Waterfilling, όπως ορίζεται από το πρότυπο CCSDS 122.1 αποτελεί το πρώτο βήμα στην υλοποίηση. Έπειτα περιγράφονται οι τεχνικές επιτάχυνσης με υλικό που χρησιμοποιούνται με στόχο τη συσκευή ZYNQ 7000 AP FPGA SoC, χρησιμοποιώντας τα εργαλείων της Xilinx και την αντίστοιχη ροή εργασίας. Η αξιολόγηση των επιδόσεων του συστήματος περιλαμβάνει βασικές μετρικές όπως η διεκπαιρεωτική ικανότητα, η υπολογιστική επίδοση, το ποσό χρήσης πόρων υλικού και η πολυπλοκότητα του συστήματος.
Το τελικό βήμα αποτελεί την ενσωμάτωση του προτασσόμενου πυρήνα IP σε ένα SoC που υλοποιεί τον αλγόριθμο συμπίεσης CCSDS 122.1, το οποίο, απ’ όσο μας είναι γνωστό, αποτελεί την πρώτη υλοποίηση του είδους του στον κόσμο.
(EL)
Hyperspectral imaging is a cutting-edge technology widely used in remote sensing applications. Aerospace platforms such as manned aircraft, unmanned vehicles, observation satellites, and space exploration vehicles are equipped with hyperspectral receivers to capture a broad range of the electromagnetic spectrum, enabling the generation of high-resolution spatial images combined with accurate spectral information.
However, the explosive growth in hyperspectral image data volume and instrument data rates compete with limited available on-board storage resources and downlink bandwidth, making hyperspectral and multispectral image data compression a mission critical task. Lossy compression allows to achieve significant compression gains as a tradeoff to some distortion between the reconstructed and the original image. Effective rate allocation strategies are crucial in optimizing the overall rate-distortion performance, aiming to enhance image quality within the allocated rate budget.
The CCSDS-122.1-B-1 Recommended standard, recently issued by Consultive Committee for Space Data Systems (CCSDS), extends CCSDS 122.0-B-2 standard for compression of monoband two-dimensional (2D) images by providing an effective method of encoding multispectral and hyperspectral image data, specifying certain spectral transforms to exploit the similarities between the spectral bands creating a transformed image that is more efficiently compressed by the 2D encoders. A key element of CCSDS 122.1-b-1 is rate allocation.
This thesis investigates the Reverse Waterfilling rate allocation method recommended by the CCSDS 122.1 standard for lossy hyperspectral and multispectral image compression. The research objective is to develop a hardware-accelerated implementation of the Reverse Waterfilling algorithm as an IP Core targeting FPGA SoC technology, focusing on achieving optimized rate-distortion performance and high throughput.
Firstly, a comprehensive description of the Reverse Waterfilling algorithm as outlined by CCSDS 122.1 will be given. Furthermore, this thesis will present insights into the hardware acceleration techniques employed for its efficient implementation targeting on the ZYNQ 7000 AP FPGA SoC device using the Xilinx tools and the recommended workflow. The performance evaluation of the Reverse Waterfilling hardware accelerator encompasses key metrics such as overall throughput, computational efficiency, hardware resource utilization, and system complexity.
The final step consists of the integration of the Reverse Waterfilling rate-allocation IP Core in a SoC that implements the CCSDS 122.1 algorithm which, to the best of our knowledge, is the first implementation in the world.
(EN)
/aggregator-openarchives/portal/institutions/uoa
